1、兰州交通大学课程设计兰州交通大学移动通信课程设计题 目：扩频通信技术在移动通信中的应用摘 要扩频通信，即扩展频谱通信(Spread Spectrum Communication)的简称，它是指用来传输信息的射频信号带宽远远大于信息本身带宽的一种通信方式。扩频通信系统的出现，是通信技术的一次重大突破。它与光纤通信、卫星通信一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。CDMA 数字蜂窝移动通信等，就是利用扩频技术发展起来的一种扩频通信方式，它具有容量大，通信质量好，节约发射功率等优点。本文就一些扩频通信的原理及中 CDMA采用的扩频技术作些讨论，此外也简单介绍了一些扩频通信在其他方面的应用。关
2、键字 扩频通信；CDMA 数字蜂窝移动通信；光纤通信；卫星通信兰州交通大学课程设计1AbstractSpread spectrum communication, namely the spread spectrum communication ( Spread Spectrum Communication ) abbreviation, it is used for transmitting the information to the RF signal bandwidth is far greater than the information itself is a kind of com
3、munication bandwidth. Spread spectrum communication system, is a major breakthrough in communication technology. It and optical fiber communication, satellite communication together known as entering the information age of three big high-tech communication transmission method. CDMA digital cellular
4、mobile communications, is the use of spread spectrum technology. It is a kind of spread spectrum communication mode, it has a large capacity, good communication quality, saving emission power. In this paper, some principle of spread spectrum communication and CDMA using spread spectrum techniques ar
5、e discussed, also a brief introduction of some other aspects of the application of spread spectrum communication in.Keywords spread spectrum communication; CDMA digital cellular mobile communications;optical fiber communication;satellite communication兰州交通大学课程设计2兰州交通大学课程设计目 录第 1 章 概述 11.1 扩频通信的定义 11.
6、2 扩频通信的理论基础 21.3 扩频通信的分类 31.3.1直接序列扩频系统 .31.3.2 跳变频率工作方式 41.3.3 跳变时间工作方式 51.3.4 宽带线性调频工作方式 61.3.5 各种混合方式 61.4 扩频通信在移动通信中的作用 71.5 扩频通信技术的应用 7第 2 章 PN 码的生成方法 92.1 PN序列产生原理及作用 .92.2 CDMA系统中的 PN码同步原理 .102.2.1 PN码序列捕获 .112.2.2 PN码序列跟踪 .132.2.3 抖动跟踪环 .132.3 PN序列的特点 .142.4 PN序列在通信系统中的作用 .14第 3章 利用程序语言搭建 m序
7、列发生器 183.1 m序列简介 .183.2 m序列信号发生器原理 .183.3 m序列码的特点 .183.4 m序列码发生器 .193.5 m序列的设计 .20第 4 章 利用程序语言搭建 gold 序列发生器 .204.1 Gold码的定义 .204.2 Gold序列的设计 .214.2.1 gold序列设计的程序流程图 .214.2.2 gold序列设计的结构图 .214.3 Gold 序列的特性 .224.3.1 平衡特性 224.3.2 相关特性 22第 5章 总结 22附 录 一 23参考文献 25兰州交通大学课程设计1第 1 章 概述扩频通信技术自50年代中期美国军方便开始研究
8、，一直为军事通信所独占，广泛应用于军事通信、电子对抗以及导航、测量等各个领域。直到80年代初才被应用于民用通信领域。为了满足日益增长的民用通信容量的需求和有效地利用频谱资源，各国都纷纷提出在数字峰窝移动通信、卫星移动通信和未来的个人通信中采用扩频技术，扩频技术现已广泛应用于蜂窝电话、无绳电话、微波通信、无线数据通信、遥测、监控、报警等系统中。1.1 扩频通信的定义所谓扩展频谱通信，可简单表述如下：扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关；在接收端则用同样的码进行相关
9、同步接收、解扩及恢复所传信息数据。这一定义包含了以下三方面的意思： 一、信号的频谱被展宽了 传输任何信息都需要一定的带宽，称为信息带宽。例如人类的语音的信息带宽为300Hz-3400Hz，电视图像信息带宽数量级为 MHz。为了充分利用频率资源，通常都是尽量采用大体相当的带宽的信号来传输信息。在无线电通信中射频信号的带宽与所传信息的带宽是相比拟的。如用调幅信号来传送语音信息，其带宽为语音信息带宽的两倍；电视广播射频信号带宽也只是其视频信号带宽的一倍多。这些都属于窄带通信。一般的调频信号，或脉冲编码调制信号，它们的带宽与信息带宽之比也只有几到十几。扩展频谱通信信号带宽与信息带宽之比则高达 100-
10、1000，属于宽带通信。 二、采用扩频码序列调制的方式来展宽信号频谱我们知道，在时间上有限的信号，其频谱是无限的。例如很窄的脉冲信号，其频谱则很宽，信号的频带宽度与其持续时间近似成反比。1 微秒的脉冲的带宽约为1MHz。因此，如果用很窄的脉冲序列被所传信息调制，则可产生很宽频带的信号。如下面介绍的直接序列扩频系统就是采用这种方法获得扩频信号。这种很窄的脉冲兰州交通大学课程设计2码序列，其码速率是很高的，称为扩频码序列。这里需要说明的一点是所采用的扩频码序列与所传信息数据是无关的，也就是说它与一般的正弦载波信号一样，丝毫不影响信息传输的透明性。扩频码序列仅仅起扩展信号频谱的作用。三、在接收端用相
11、关解调来解扩正如在一般的窄带通信中，已调信号在接收端都要进行解调来恢复所传的信息。在扩频通信中接收端则用与发送端相同的扩频码序列与收到的扩频信号进行相关解调，恢复所传的信息。换句话说，这种相关解调起到解扩的作用。即把扩展以后的信号又恢复成原来所传的信息。这种在发端把窄带信息扩展成宽带信号，而在收端又将其解扩成窄带信息的处理过程，会带来一系列好处。弄清楚扩频和解扩处理过程的机制，是理解扩频通信本质的关键所在。1.2 扩频通信的理论基础 长期以来，人们总是想法使信号所占谱尽量的窄，以充分利用十分宝贵的频谱资源。为什么要用这样宽频带的信号来传送信息呢? 简单的回答就是主要为了通信的安全可靠。 扩频通
12、信的基本特点，是传输信号所占用的频带宽度(W)远大于原始信息本身实际所需的有效带宽(F)，其比值称为处理增益 Gp: Gp = W/F (1) 众所周知，任何信息的有效传输都需要一定的频率宽度，如话音为 1.7-3.1kHz，电视图像则宽到数兆赫。为了充分利用有限的频率资源，增加通路数目，人们广泛选择不同调制方式，采用宽频信道(同轴电缆、微波和光纤等)和压缩频带等措施，同时力求使传输的媒介中传输的信号占用尽量窄的带宽。因现今使用的电话、广播系统中，无论是采用调幅、调频或脉冲编码调制制式，Gp 值一般都在十多倍范围内，统称为“窄带通信” 。而扩频通信的 Gp值，高达数百、上千，称为“宽带通信”
13、。扩频通信的可行性，是从信息论和抗干扰理论的基本公式中引伸而来的。 信息论中关于信息容量的仙农(Shannon)公式为： C WLog 2(1+P/N) (2)式中：兰州交通大学课程设计3C - 信道容量(用传输速率度量) W - 信号频带宽度 P - 信号功率 N - 白噪声功率 式(2)说明，在给定的传输速率 C不变的条件下，频带宽度 W和信噪比 PN 是可以互换的。即可通过增加频带宽度的方法，在较低的信噪比 P/N(S/N)情况下，传输信息。扩展频谱换取信噪比要求的降低，正是扩频通信的重要特点，并由此为扩频通信的应用奠定了基础。香农又指出，高斯噪声的干扰下，在限平均功率的信道上，实现有效
14、和可靠通信的最佳信号是具有高斯白噪声统计特性的信号，因为它具有理想的自相关特性哈尔凯维奇早在 50 年代已从理论上证明：要克服多径衰落干扰，信道中传输的最佳信号形式应该具有白噪声统计特性的信号形式。总之，我们用信息带宽的 100倍，甚至 1000倍以上的宽带信号来传输信息，就是为了提高通信的抗干扰能力，即在强干扰条件下保证可靠安全地通信。这就是扩展频谱通信的基本思想和理论依据。1.3 扩频通信的分类按照扩展频谱的方式不同，现有的扩频通信系统可以分为：直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum)工作方式、跳变频率(Frequency Hopping)工作方式、跳
15、变时间(Time Hopping)工作方式、 宽带线性调频工作方式、各种混合方式等。1.3.1直接序列扩频系统所谓直接序列(DS)扩频，就是直接用具有高码率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱。而在收端，用相同的扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。直接序列扩频的原理图 11 所示。兰州交通大学课程设计4图 11 直扩原理系统图直扩系统各部分输出信号频谱图 12 所示：图 12 直扩系统主要频谱变换过程BPF 本 地 参考 载 波PN码发 生 器 射 频 振荡 器发 送 端 接 收 端本 地 PN码发 生 器扩 频 调 制 解 扩 解 调窄 带 滤波 器图 a 信息序列频谱0f
16、Px(f)Rb图 b 发送端射频信号fc fP(f)窄 带 干 扰白 噪 声 所 需 信 号图 c 接收机输入信号fIF f窄 带 干 扰白 噪 声 所 需 信 号P(f)图 b 解扩后信号fIF f窄 带 干 扰白 噪 声 所 需 信 号P(f)图 d 窄带滤波器输出兰州交通大学课程设计51.3.2 跳变频率工作方式另外一种扩展信号频谱的方式称为跳频(FHFrequency Hopping)。所谓跳频，比较确切的意思是：用一定码序列进行选择的多频率频移键控。也就是说，用扩频码序列去进行频移键控调制，使载波频率不断地跳变，所以称为跳频。 简单的频移键控如2FSK，只有两个频率，分别代表传号和空
17、号。而跳频系统则有几个、几十个、甚至上干个频率、由所传信息与扩频码的组合去进行选择控制，不断跳变。 图 13 为跳频的组成图。发端信息码序列与扩频码序列组合以后按照不同的码字去控制频率合成器。图 13 跳频系统组成1.3.3 跳变时间工作方式与跳频相似，跳时(THTime Hopping)是使发射信号在时间轴上跳变。首先把时间轴分成许多时片。在一帧内哪个时片发射信号由扩频码序列去进行控制。可以把跳时理解为：用一定码序列进行选择的多时片的时移键控。 由于采用了窄得很多的时片去发送信号，相对说来，信号的频谱也就展宽了。在发端，输入的数据先存储起来，由扩频码发生器的扩频码序列去控制通断开关，经二相或
18、四相调制后再经射频调制后发射。在收端，由射频接收机输出的中频信号经本地产生的与发端相同的扩频码序列控制通断开关，再经二相或四相解调器，送到数据存储器和再定时后输出数据。只要收发两端在时间上严格同步进行，就能正确地恢复原始数据。调 制频 率 合 成 器PN码 发 生 器. 混 频 解 调同 步 系 统频 率 合 成 器PN码 发 生 器.发 送 端 接 收 端兰州交通大学课程设计6跳时也可以看成是一种时分系统，所不的地方在于它不是在一帧中固定分配一定位置的时片，而是由扩频码序列控制的按一定规律跳变位置的时片。跳时系统的处理增益等于一帧中所分的时片数。 由于简单的跳时抗于拢性不强，很少单独使用。跳
19、时通常都与其他方式结合使用，组成各种混合方式。 1.3.4 宽带线性调频工作方式如果发射的射频脉冲信号在一个周期内，其载频的频率作线性变化，则称为线性调频。 因为其频率在较宽的领带内变化，信号的频带也被展宽了。这种扩频调制方式主要用在雷达中，但在通信中也有应用。在发端，有一锯齿波去调制压控振荡器，从而产生线性调频脉冲。它和扫频信号发生器产生的信号一样。 在收端，线性调频脉冲由匹配滤波器对其进行压缩，把能量集中在一个很短的时间内输出，从而提高了信噪比，获得了处理增益。匹配滤波器可采用色散延迟线，它是一个存储和累加器件。其作用机理是对不同频率的延迟时间不一样。如果使脉冲前后两端的频率经不同的延迟后
20、一同输出，则匹配滤波器起到了脉冲压缩和能量集中的作用。匹配滤波器输出信噪比的改善是脉冲宽度与调频频偏乘积的函数。一般，线性调频在通信中很少应用。 1.3.5 各种混合方式在上述几种基本的扩频方式的基础上，可以组合起来，构成各种混合方式。例如DS/FH、DS/TH、DS/FH/TH 等等。 一般说来，采用混合方式看起来在技术上要复杂一些，实现起来也要困难一些。但是，不同方式结合起来的优点是有时能得到只用其中一种方式得不到的特性。例如 DS/FH系统，就是一种中心频率在某一领带内跳变的直接序列扩频系统。DS/FH系统的处理增益为 DS和 FH处理增益之和。因此，有时采用 DS/FH反而比单独采用
21、DS或 FH获得更宽的频谱扩展和更大的处理增益。甚至有时相对来说，其技术复杂性比单独用 DS来展宽频谱或用 FH在更宽的范围内实现频率的跳变还要容易些。 对于 DS/TH方式，它相当于在扩频方式中加上时间复用。采用这种方式可以容纳兰州交通大学课程设计7更多的用户。在实现上，DS 本身已有严格的收发两端扩频码的同步。加上跳时，只不过增加了一个通断开关，并不增加太多技术上的复杂性。 对于 DS/FH/TH，它把三种扩频方式组合在一起，在技术实现上肯定是很复杂的。但是对于一个有多种功能要求的系统，DS、FH、TH 可分别实现各自独特的功能。 因此，对于需要同时解决诸如抗干扰、多址组网、定时定位、抗多
22、径和远近问题时，就不得不同时采用多种扩频方式。1.4 扩频通信在移动通信中的作用扩频通信为接入网增添光彩：接入网是个新的技术概念，它是由传统的用户线，用户环路和用户接入系统逐步发展、演变和升级而形成的。现代电信网络分为 3大部分：传输网、交换网和接入网。由于接入网发展较晚，往往成为电信发展规律的“瓶颈” ，各国都很重视，接入网一天天变“热” ，各类接入技术和系统应运而生。例如，有线接入系统， 包括铜线接入、光纤接入和光纤同轴混合接入等；无线接入分为移动接入和固定接入系统。其中光纤接入和无线固定接入成为“热网”中的两个“热点” 。扩频通信的出现，使得无线通信旧貌换新颜。扩频微波与常规微波相比有三
23、个优点：抗干扰强；频点问题好处理；价格比较便宜。因此，扩频微波接入系统将成为无线接入的一支新军，为接入网增添光彩。语音接入(点对点):现有的扩频微波，速率从 64 kb/s-8Mb/s，可传 1-120路（PCM）语音。时分双工（TDD）E1，距离近些；频分双工（FDD）E1，距离还可远些，在视距通信范围，扩频微波可取代超短波（VHF/UHF） ，常规小微波，以及电缆和光纤。它可以单独或与各种复用设备结合，局间中继，GMS 系统基站到交换机间通信等很多场合。数据接入：采用扩频 Modem和复用器，可以实现点对点的数据通信，再逐级汇集，也可组成很大的专用数据网，例如银行的同城结算网；可应用于 I
24、SDN网和 DDN网；视频接入：采用 N*64kb/s或 2Mb/s的扩频 Modem加上会议电视终端可传会议电视信息。若将多个点对点扩频信道和 MCU相连，可以组成良好的多点扩频会议电视系统。采用每秒可输出 22-25帧的图像编解码器（CODEC） ，利用扩频 E1，就可传送实时动态电视图像。多媒体接入：采用复用器，可在扩频信道上同时传送语音、数据和视频图像等多兰州交通大学课程设计8媒体信息。现在已有的扩频 Modem与当前的多媒体通信发展水平相适应，设备轻巧，易安装，是较好的无线多媒体接入手段。国际互联网（Internet）接入：利用 64kb/s-8Mb/s的扩频 Modem直接接入In
25、ternet网已有很多实例了，它是专线而不是租用线，费用会省些。1.5 扩频通信技术的应用扩频通信技术的发展和应用，为现代信息技术的发展提供了优质的无线传输手段。现代信息的技术发展需要高效率、高质量的传输手段来传输大量数据，就无线传输方式来说，传统的窄带微波传输由于抗干扰性，保密性，可靠性，频率占用、传输带宽等多方面的问题，已经很难适应现代信息技术的要求。而扩频通信技术的发展和应用及时有效的为这个问题提供了解决手段。现代通信的新领域，数字蜂窝移动通信，专用网络通信，室内无线通信，CDMA 移动通信，无线局域网，无线广域网， “蓝牙” （短距离高速、互通式信息传输）传输技术都是基于扩频通信体制的
26、通信方式。扩频通信为人们提供了简洁、快捷、安全、经济的通信手段，不仅可以提供大容量的干线传输，还可以提供简单便捷的小容量接入。因此，不仅可以作为主传输通道，也可以作为有线干线的备份，还可以实现无线办公室。由于无线扩频通信技术具有十分显著的优越性，极大的推动了该技术及其产品在军用、民用领域的发展和应用。目前，应用了扩频通信技术的通用产品主要有两类，一是专门数据传输的扩频无线调制解调器，二是专门提供无线网络连接的无线网桥、无线网卡、无线路由器。其中无线调制解调器能够提供透明的数据通道，根据需要配置终端设备，可以支持多种数据业务，如，话音、数据、网络、图象等。由于技术原因限制，还不能实现真正的话音点
27、对多点业务，基本上都是依赖系统的叠加来实现。对于单独的数据业务或网络连接，如果数据延时没有特别严格的要求，可以采用轮询方式传输。无线网络类产品，又基本可以分为两类，一类是基于 802.11无线网络协议标准的无线网络产品，另一类是基于各自厂商的传输标准的无线网桥或无线路由器。它们都提供了高速的无线网络连接，可以广泛的应用于点对点或点对多点无线局域网、无线广域网连接或宽带无线接入。随着现代网络技术的发展和广泛应用，网络已经成为通信技术的重要应用领域，兰州交通大学课程设计9各种通信业务也都逐渐趋向于借助网络平台上实现。现在 IP电话技术已经比较成熟，也得到了广泛的应用，其传输质量也得到了好评。IP
28、图象传输系统也由于传输效果比较好，设备简单，使用方便，已经得到了广泛的应用。因此，现代的网络技术为话音、数据、图象的综合业务提供了良好的平台。在此基础上，借助无线网络技术构建移动网络平台，便可以实现一种新的移动话音、数据、图象传输系统。这种移动的网络平台可以提供移动工作条件下的快速、灵活建立和应用，可以根据需要建立在节点限制数量内的任意点数之间的通信，还可以根据需要将网络设置成为无中心的网状工作模式，这种无中心的模式为战争、自然灾害（水灾、地震等）的工作需要提供了最好的支持。无线网络产品是扩频通信技术在数据通信领域一个典型应用，充分发挥了扩频通信技术的各种优越性，为现代网络技术的广泛应用提供了
29、更灵活、多样的解决手段。随着网络技术的发展和进一步应用，移动无线网络，漫游无线接入必将成为现实，话音、数据、图象的多业务移动应用也将得到巨大的发展和应用，这又将极大的促进扩频通信技术的快速发展。第 2 章 PN 码的生成方法PN码就是伪随机码，具有与二元随机序列性质相似的周期性码组。是一种预先确定,并可重复实现的具有某种随机特性的码,它虽然仅有 2个电平,却具有类似白噪声的相关特性,只是幅度概率分布不再服从高斯分布。用在 ofdm系统中，可能是基于 PN序列的同步算法或者是基于 PN序列的频偏信道参数估计算法，充分利用 PN序列的相关特性，具有良好的抗噪特性、衰落信道适应性和高的估计精度。2.
30、1 PN序列产生原理及作用伪随机噪声具有类似于随机噪声的一些统计特性，同时又便于重复产生和处理。由于它具有随机噪声的优点，又避免了它的缺点，因此获得了日益广泛的应用。目前广泛应用的伪随机序列都是由数字电路产生的周期序列得到的，我们称这种周期序列为伪随机序列。对于伪随机序列有如下几点要求：兰州交通大学课程设计10 应具有良好的伪随机性，即应具有和随机序列类似的随机性； 应具有良好的自相关、互相关和部分相关特性，即要求自相关峰值尖锐，而互相关和部分相关值接近于零。这是为了接收端准确检测，以减少差错； 要求随机序列的数目以保证在码分多址的通信系统中，有足够的地址提供给不同的用户； 要求设备简单，易实
31、现，成本低。通常产生伪随机序列的电路为一反馈移存器。它又分为线形反馈移存器和非线形反馈移存器两类。由线形反馈移存器产生出的周期最长的二进制数字序列称为最大长度线形反馈移存器，通常称为 m序列。由于它的理论比较成熟，实现比较简便，实际应用也比较广泛，故在这里以 m序列发生器为例，设计伪随机序列发生器。伪随机信号在雷达、遥控、遥测、通信加密和无线电测量系统领域有着广泛的应用。利用 VHDL语言进行软件编程，通过 EDA设计软件对程序编译、优化、综合、仿真、适配，最后将生成的网表文件配置于制定的目标芯片中，可以实现不同序列长度的伪随机信号发生器。2.2 CDMA系统中的 PN码同步原理发射机和接收机
32、采用高精确度和高稳定度的时钟频率源，以保证频率和相位的稳定性。但在实际应用中，存在许多事先无法估计的不确定因素，如收发时钟不稳定、发射时刻不确定、信道传输时延及干扰等，尤其在移动通信中，这些不确定因素都有随机性，不能预先补偿，只能通过同步系统消除。因此，在 CDMA扩频通信中，同步系统必不可少。PN码序列同步是扩频系统特有的，也是扩频技术中的难点。CDMA 系统要求接收机的本地伪随机码与接收到的 PN码在结构、频率和相位上完全一致，否则就不能正常接收所发送的信息，接收到的只是一片噪声。若实现了收发同步但不能保持同步，也无法准确可靠地获取所发送的信息数据。因此，PN 码序列的同步是 CDMA扩频
33、通信的关键技术。CDMA系统中的 PN码同步过程分为 PN码捕获（精同步）和 PN码跟踪（细同步）两部分。PN 码捕获是精调本地 PN码的频率和相位，使本地产生的 PN码与接收到的 PN码间定时误差小于 1个码片间隔 Tc，可采用基于滑动相关的串行捕获方案或基于时延估兰州交通大学课程设计11计问题的并行捕获方案。PN 码跟踪则自动调整本地码相位，进一步缩小定时误差，使之小于码片间隔的几分之一，达到本地码与接收 PN码频率和相位精确同步。典型的 PN码跟踪环路分基于迟早门定时误差检测器的延迟锁定环及 抖动环两种。接收信号经宽带滤波器后，在乘地器中与本地 PN码进行相关运算。捕获器件调整压控时钟源
34、，用以调整 PN码发生器产生的本地 PN码序列的频率和相位，捕获有用信号。一旦捕获到有用信号，启动跟踪器件，用以调整压控钟源，使本地 PN码发生器与外来信号保持精确同步。如果由于某种原因引起失步，则重新开始新一轮捕获和跟踪。同步过程包含捕获和跟踪两个阶段闭环的自动控制和调整。2.2.1 PN码序列捕获PN码序列捕获指接收机在开始接收扩频信号时，选择和调整接收机的本地扩频 PN序列相位，使它与发送的扩频 PN序列相位基本一致，即接收机捕捉发送的扩频 PN序列相位，也称为扩频 PN序列的初始同步。在 CDMA系统接收端，一般解扩过程都在载波同步前进行，实现捕获大多采用非相干检测。接收到扩频信号后，
35、经射频宽带滤波放大及载波解调后，分别送往 2N扩频 PN序列相关处理解扩器（N 是扩频 PN序列长） 。2N个输出中哪个输出最大，该输出对应的相关处理解扩器所用的扩频 PN序列相位状态，就是发送的扩频信号的扩频 PN序列相位，从而完成扩频 PN序列捕获。捕获的方法有多种，如滑动相干法、序贯估值法及匹配滤波器法等，滑动相关法是最常用的方法。（1）滑动相关法接收系统在搜索同步时，它的码序列发生器以与发射机码序列发生器不同的速率工作，致使这两个码序列在相位上互相滑动，只有在达到一致点时，才停下来，因此称之为滑动相关法。接收信号与本地 PN码相乘后积分，求出它们的互相关值，然后与门限检测器的某一门限值
36、比较，判断是否已捕获到有用信号。它利用了 PN码序列的相关徨性，当两个相同的码序列相位一致时，其相关值输出最大。一旦确认捕获完成，捕获指示信号的同步脉冲控制搜索控制钟，调整 PN码发生器产生的 PN码重复频率和相位，使之与收到的信号保持同步。兰州交通大学课程设计12由于滑动相关器对两个 PN码序列按顺序比较相关，所以该方法又称顺序搜索法。滑动相关器简单，应用簋广，缺点是当两个 PN码的时间差或相位差过大时，相对滑动速度簋慢，导致搜索时间过长，特别是对长 PN码的捕获时间过长，必须采取措施限定捕获范围，加快捕获时间，改善其性能。使滑动相关器实用的有效方法之一是采用特殊码序列，特殊码序列要足够短，
37、以便在合理时间内对所有码位进行搜索。至于短到什么程度，由满足相关性要求限定。这种加前置码的方法称同步引导法。引导码同步要求低、简单易实现，是适合各种应用的同步方法。可捕码由若干较短码序列组合而成，其码序列应与各组成码序列保持一定的相关关系。这类码中最著名的是 JPL码。（2）序贯估值法序贯估值法是另一种减少长码捕获时间的快速捕获方法，它把收到的 PN码序列直接输入本地码发生器的移位寄存器，强制改变各级寄存器的起始状态，使其产生的 PN码与外来码相位一致，系统即可立即进行同步跟踪状态，缩短了本地 PN码与外来 PN码相位一致所需的时间。该方法先检测收到码信号中的 PN码，通过开关，送入 n级 P
38、N码发生器的移位寄存器。待整个码序列全部进入填满后，在相关器中，将产生的 PN码与收到的码信号进行相关运算，在比较器中将所得结果与门限进行比较。若未超过门限，则继续上述过程。若超过门限，则停止搜索，系统转入跟踪状态。理想情况下，捕获时间Ts=nTc， （Tc 为 PN码片时间宽度） 。该方法捕获时间虽短，但存在一些问题，它先要对外来的 PN码进行检测，才能送入移位寄存器，要做到这一点有时很困难。另外，此法抗干扰能力很差，因为逐一时片进行估值和判决，并未利用 PN码的抗干扰特性。但在无干扰条件下，它仍有良好的快速初始同步性能。（3）匹配滤波器法用于 PN同步捕获的匹配滤波器一般采用延时线匹配滤波
39、器，其目的是识别码序列，它能在特殊结构中识别特殊序列，而且只识别该序列。假设一个输入信号是 7bit码序列 1110010双相调制的信号，每当码有 1-0过渡时，反相信号进入延时线，直到第1bit在 T7，第 2bit在 T6。当全部时延元件都填满，而且信号调制码与滤波器时延元件相位一致时，T2 的信号相位与 T5、T6、T7 的相位相同，时延元件 T1、T3、T4 也具兰州交通大学课程设计13有相同的信号相位。把T2、T5、T6、T7与T1、T3、T4两组分别相加，把T1、T3、T4之和倒相输出，再将这两个结果相加，包含在全部 7个元件中的信号能量同相相加，整个输出是未处理的 7倍。根据该能
40、量关系可以识别码序列。在要求快速锁定及使用长码的 CDMA扩频通信中，宜采用 SAW-TDL-MF作同步器。对于待定信号，匹配滤波器具有时间自动能力，无需 PN码时钟同步与 RF载波相位锁定，既避免了数据信息比特以外的同步，又完成了扩频信号的相关处理。引导码进入程控编码 SAW-TDL-MF后，其输出是噪声基底上的底尖相关峰。在扩频通信中，噪声功率控制接收机的 AGC，因而信号功率（即相关峰值）在起伏的噪声环境中变化很大。门限计算器的功能根据包络检测输出，确定动态门限电平，提供给同步检测器，保证在低 SNR时有可允许的同步误差。动态门限电平取在主峰高度与最大旁峰之间时，噪声引起的底同步误差最小
41、。当 SAW-TDL检波输出包络超过动态门限时，同步检测器为接收机宽带频率合成器提供一个逻辑电平同步信号。2.2.2 PN码序列跟踪当同步系统完成捕获过程后，同步系统转入跟踪状态。所谓跟踪，是使本地码的相位一直随接收到的伪随机码相位改变，与接收到的伪随机码保持较精确的同步。跟踪环路不断校正本地序列的时钟相位，使本地序列的相位变化与接收信号相位变化保持一致，实现对接收信号的相位锁定，使同步误差尽可能小，正常接收扩频信号。跟踪是闭环运行的，当两端相位出现差别后，环路能根据误差大小自动调整，减小误差，因此同步系统多采用锁相技术。跟踪环路可分为相干与非相干两种。前者在确知发端信号载波频率和相位的情况下
42、工作，后者在不确知的情况下工作。实际上大多数应用属于后者。常用的跟踪环路有延迟锁定环及 抖动环两种，延迟锁定环采用两个独立的相关器， 抖动环采用分时的单个相关器。2.2.3 抖动跟踪环抖动环是跟踪环的另一种形式，与延时锁定环相同，接收信号与本地产生 PN序列的超前滞后形式相关，误差信号由单个相关器以交替的形式相关后得到。PN 码序列产兰州交通大学课程设计14生器由一个信号驱动，时钟信号的相位二元信号的变化来回“摆动” ，去除了必须保证两个通道传递函数相同的要求，因此抖动环路实现简单。与延时锁定环相比，信噪比性能恶化大约 3dB。延迟锁定环及 抖动环不仅能起跟踪作用，如果采用滑动相关概念，使本地
43、 VCO开始时就与接收信号有一定频差，也能起到捕获作用。此外，另加一相关器，还可以起到解码作用。上述两种跟踪环路的主要跟踪对象是单径信号，但在移动信道中，由于受到多径衰落及多普勒频移等多种复杂因素影响，不能得到令人满意的跟踪性能，所以 CDMA扩频通信系统应采用适合多径衰落信道的跟踪环。2.3 PN序列的特点作为扩频码的伪随机信号，具有下列特点：(1) 伪随机信号必须具有尖锐的自相关函数，而互相关函数值应接近 0 值；(2) 有足够长的码周期，以确保抗侦破与抗干扰的要求；(3) 码的数量足够多，用来作为独立的地址，以实现码分多址的要求；(4) 工程上易于产生、加工、复制与控制。在扩频通信系统中
44、，PN 码的码速率 Rc 往往比信息码速率 Rb大得多，从而 PN 码的带宽也比原信号的带宽大得多，时域相乘等效于频域卷积，由卷积的原理可以知道，两者相乘后的带宽为两者带宽相加，即 Rc+ ，因而带宽被展宽了。bCDMA 系统中，伪随机序列(PN)用于数据的加扰和扩谱调制。在传送数据之前，把数据序列转化成“随机的” ，类似于噪声的形式，从而实现数据加扰。接收机再用PN 码把被加扰的序列恢复成原始数据序列。PN 码序列同步是扩频系统特有的，也是扩频技术中的难点。CDMA 系统要求接收机的本地伪随机码与接收到的 PN 码在结构、频率和相位上完全一致，否则就不能正常接收所发送的信息，接收到的只是一片
45、噪声。若实现了收发同步但不能保持同步，也无法准确可靠地获取所发送的信息数据。因此，PN 码序列的同步是 CDMA 扩频通信的关键技术。兰州交通大学课程设计152.4 PN序列在通信系统中的作用扩频通讯中，抗干扰、抗多径、抗截获、多址性等特点都与 PN 序列密切相关。从理论上说，用纯随机序列去扩展信号频谱是最理想的。但在接收机中为了解扩应当有一个同发送端扩谱码同步的副本。因此，实际工程中，我们只能用伪随机或伪噪声（PN）序列作为扩频码。伪随机序列具有貌似噪声的性质，但它又是周期性的有规律的，既容易产生，又可以加工和复制的序列。大部分伪随机码都是周期码，可以人为地加以产生与复制，通常由二进制移位寄
46、存器来产生。由于这种码具有类似白噪声的性质，相关函数具有尖锐的特性，功率谱占据很宽的频带，因此易于从其它信号或干扰中分离出来，具有优良的抗干扰特性。在工程上常用二元域0， 1内的 0 元素与 1 元素的序列来表示伪随机码，它具有如下特点：(1) 在每一个周期内， 0 元素与 1 元素出现的次数近似相等，最多只差一次。(2) 在每一个周期内，长度为 k 比特的元素游程出现的次数比长度为 k+1 比特的元素游程出现的次数多一倍(连续出现的 r 个比特的同种元素叫做长度为 r 比特的元素游程)。(3)序列的自相关函数是一周期函数，且具有双值特性，当码元延时为 N 的整数倍时，自相关函数 R=1，当不
47、是 N 的整数倍时，R=-k/N 。PN 序列一般用于扩展信号频谱。PN 序列的扩频是指用一个序列去乘以一个信息符号，序列码片的时间远小于信息符号的时间，由信号的时间与频谱的关系，我们可以知道扩频后的序列的频谱是展宽的。同时，由于 PN 序列的相关性很低，只有在发送的 PN 序列和接收的 PN 序列相同，并且其码片同步时才能得到一个相关峰了。当发射时，信号的功率是低于噪声的功率的，如果不知道 PN 序列，则较难得知码片的信息了。因此，扩频通信是具有一定的加密性的了。PN 生成器实际上就是由移位寄存器和反馈逻辑电路组成。反馈逻辑电路通常是XOR，即模 2 加法器。寄存器的个数决定了 PN 学列的
48、长度，同时也决定了 PN 码的个数，寄存器的数量为 m，那就可以生成 2m-1 个 PN 码。为什么不是 2 的 m 次方个而是2 的 m 次方减一个呢，这里要说一下初始化数据，这个数据是用来触发整个电路的。兰州交通大学课程设计16也就是发个 m 位随机的 010.0101。但是有一个数据不能发，那就是 m 个全 0，因为用 m 个全 0 触发生成的尾随机序列永远是 m 个全 0。而且在尾随机序列中也是永远不回出现 m 个全 0 的。PN 序列有：0 和 1 的个数相等，低相关性，自相关等性质。PN 序列的最典型应用就是在 CDMA 中，理解 PN 序列的扩频原理就需要简单了解一下 CDMA
49、的机制原理，码分复用。传统的 FDMA，是将一小段频宽分给每个移动用户，每个用户独占一段频宽，这样系统容量很有限，带宽利用率及其低下。CDMA是将不同的码分给不同用户，每个用户得到唯一的可识别的码，使得每个用户都可以共用一段频宽。这个码就是 PN 码，根据上面介绍的，寄存器的个数有 m 个，一个频宽上就可以存在 2m-1 个用户（当然实际中 CDMA 系统远比描述的复杂，还有上、下行，Walsh code 等等问题） ，这样频带利用率非常高。当然这凭空多处来的一段 PN 码是要靠更多一段频宽来传，这便是所谓的扩频。通常，误码率测试都是用伪随机二进制序列作为信号源的原始数据，以模拟实际系统工作时信号的随机性。PRBS 信号一般表示为 PNx。该信号源输出的信号送到待测接收器之后，接收器解出来的数字信息将送入误码率测试仪，与标准未随机序列作比较。另外我们已知不同的编码的第三代码分多址信号通信会有显著的差异，其中信息格式插入点的不同代表了模拟信号与实际系统信号的差异性。若在循环冗余码 CRC 之前插入，则被测技术要将测试循环完全解调解码后，才能计算误码率，相当于测试待测接收器的整体效能；而若在扩
